Uma nova era de precisão para pesquisa de antimatéria

por Ana Lopes no Site do CERN

A colaboração ALFA relatou a medição direta mais precisa da antimatéria já feita, revelando a estrutura espectral do átomo de anti-hidrogênio em cores sem precedentes. O resultado, publicado hoje na Nature, é o culminar de três décadas de pesquisa e desenvolvimento no CERN, e abre uma era completamente nova de testes de alta precisão entre matéria e antimatéria.

O humilde átomo de hidrogênio, compreendendo um único elétron orbitando um único próton, é um gigante da física fundamental, sustentando o moderno quadro atômico. Seu espectro é caracterizado por linhas espectrais bem conhecidas em determinados comprimentos de onda, correspondendo à emissão de fótons de uma determinada frequência ou cor quando os elétrons pulam entre diferentes órbitas. As medições do espectro de hidrogênio concordam com as previsões teóricas no nível de algumas partes em um quatrilhão (10¹⁵) - uma conquista impressionante que os pesquisadores de antimatéria há muito buscam para o anti-hidrogênio.

A comparação dessas medidas com as dos átomos de hidrogênio, que compreendem um antipróton orbitado por um pósitron, testa uma simetria fundamental chamada invariância de paridade de carga-tempo (CPT). Encontrar qualquer pequena diferença entre os dois iria balançar os fundamentos do Modelo Padrão da física de partículas e talvez lançar luz sobre por que o universo é composto quase inteiramente de matéria, mesmo que quantidades iguais de antimatéria devessem ter sido criadas no Big Bang. Até agora, no entanto, tem sido quase impossível produzir e capturar um número suficiente de átomos de anti-hidrogênio delicados, e adquirir a tecnologia de interrogação óptica necessária, para tornar possível a espectroscopia anti-hidrogênio.

A equipe ALPHA produz átomos de hidrogênio tomando antiprótons do Antiproton Decelerator (AD) do CERN e ligando-os a pósitrons de uma fonte de sódio-22. Em seguida, limita os átomos de anti-hidrogênio resultantes em uma armadilha magnética, o que os impede de entrar em contato com a matéria e aniquilar. A luz do laser é então iluminada pelos átomos de anti-hidrogênio aprisionados, sua resposta é medida e finalmente comparada com a do hidrogênio.

Em 2016, a equipe ALPHA usou essa abordagem para medir a frequência da transição eletrônica entre o estado de menor energia e o primeiro estado excitado (a chamada transição 1S para 2S) de anti-hidrogênio com uma precisão de algumas partes em dez bilhões, encontrando boa concordância com a transição equivalente em hidrogênio. A medição envolvia o uso de duas frequências de laser - uma correspondendo à frequência da transição 1S-2S em hidrogênio e outra “desafinada” - e contando o número de átomos que saíam da armadilha como resultado de interações entre o laser e o laser. átomos presos.

O resultado mais recente da ALPHA leva a espectroscopia anti-hidrogênio para o próximo nível, usando não apenas uma, mas várias frequências de laser detonadas, com frequências ligeiramente inferiores e mais altas do que a frequência de transição 1S-2S em hidrogênio. Isso permitiu à equipe medir a forma espectral, ou espalhar em cores, da transição anti-hidrogênio 1S-2S e obter uma medida mais precisa de sua frequência. A forma corresponde àquela esperada para o hidrogênio extremamente bem, e o ALPHA foi capaz de determinar a freqüência de transição anti-hidrogênio de 1S-2S para uma precisão de algumas partes em um trilhão - um fator de 100 melhor que a medição de 2016.

"A precisão alcançada no estudo mais recente é a maior conquista para nós", explica Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento ALPHA. “Estamos tentando alcançar essa precisão há 30 anos e finalmente conseguimos”.

Embora a precisão ainda fique aquém da do hidrogênio comum, o rápido progresso feito pelo ALPHA sugere precisão semelhante à do hidrogênio no anti-hidrogênio - e, portanto, testes sem precedentes de simetria CPT - estão agora ao alcance. "Esta é uma verdadeira espectroscopia a laser com antimatéria, e a comunidade em questão notará", acrescenta Hangst. “Estamos percebendo toda a promessa das instalações de AD do CERN; é uma mudança de paradigma. ”